¿Qué es el motor de gasolina de cuatro tiempos? Ciclo Otto: definición

Motor de gasolina de cuatro tiempos – Ciclo Otto. ¿Cómo funciona el motor de cuatro tiempos? Un golpe se refiere al recorrido completo del pistón a lo largo del cilindro, en cualquier dirección. Ingenieria termal

Ciclo Otto – Motor Otto

En 1876, un ingeniero alemán, Nikolaus August Otto, avanzó el estudio de los motores térmicos mediante la construcción del primer motor de cuatro tiempos en funcionamiento. Un motor estacionario que utiliza una mezcla de carbón gas-aire como combustible. Wilhelm Maybach (1846-1929), uno de los ingenieros alemanes más importantes, perfeccionó la construcción, que ya se producía en grandes cantidades a finales del año 1876. Estos inventos reformaron rápidamente el mundo en el que vivían.

El ciclo del motor Otto se llama ciclo Otto. Es uno de los ciclos termodinámicos más comunes que se pueden encontrar en los motores de automóviles y describe el funcionamiento de un motor de pistón de encendido por chispa típico. A diferencia del ciclo de Carnot, el ciclo de Otto no ejecuta procesos isotérmicos, ya que estos deben realizarse muy lentamente. En un ciclo Otto ideal, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos reversibles internamente: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isocróricos.

Dado que el principio de Carnot establece que ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura, el motor Otto debe tener una eficiencia menor que la eficiencia de Carnot. Un motor automotriz de gasolina típico opera alrededor del 25% al ​​30% de la eficiencia térmica. Aproximadamente 70-75% se rechaza como calor residual sin convertirse en trabajo útil, es decir, trabajo entregado a las ruedas.

Motor de cuatro tiempos - motor Otto
Motor de cuatro tiempos – Motor Otto
Fuente: wikipedia.org, Trabajo propio de Zephyris, CC BY-SA 3.0

Otto Cycle – Motor de cuatro tiempos

El ciclo Otto es un conjunto de procesos utilizados por los motores de combustión interna de encendido por chispa (ciclos de dos o cuatro tiempos). Nikolaus August Otto diseñó por primera vez lo que se conoce como el motor de cuatro tiempos. Un golpe se refiere al recorrido completo del pistón a lo largo del cilindro, en cualquier dirección. Por lo tanto, cada uno no corresponde a un solo proceso termodinámico dado en el capítulo Ciclo Otto – Procesos.

El motor de cuatro tiempos comprende:

  • la carrera de admisión: el pistón se mueve desde el punto muerto superior (TDC) al punto muerto inferior (BDC) y el ciclo pasa los puntos 0 → 1. En esta carrera, la válvula de admisión está abierta mientras el pistón introduce una mezcla de aire y combustible en el cilindro produciendo presión de vacío en el cilindro a través de su movimiento hacia abajo.
  • la carrera de compresión: el pistón se mueve desde el punto muerto inferior (BDC) al punto muerto superior (TDC) y el ciclo pasa los puntos 1 → 2. En esta carrera, las válvulas de admisión y escape están cerradas, por lo tanto, la mezcla de combustible y aire se comprime. Al final de esta carrera, la mezcla de combustible y aire se enciende mediante una chispa, lo que provoca un mayor aumento de la presión y la temperatura en la cámara. Al final de este golpe, el cigüeñal ha completado una revolución completa de 360 ​​grados.
  • la carrera de potencia: el pistón se mueve desde el punto muerto superior (TDC) al punto muerto inferior (BDC) y el ciclo pasa los puntos 2 → 3 → 4. En esta carrera, las válvulas de admisión y escape están cerradas. Al comienzo del golpe de poder, una chispa enciende la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión, lo que a su vez provoca una combustión muy rápida del combustible. En esta carrera, el pistón se conduce hacia el cigüeñal, el volumen aumenta y la presión cae a medida que el gas realiza el trabajo en el pistón.
  • La carrera de escape. El pistón se mueve desde el punto muerto inferior (BDC) al punto muerto superior (TDC) y el ciclo pasa los puntos 4 → 1 → 0. En esta carrera, la válvula de escape está abierta mientras el pistón extrae los gases de escape de la cámara. Al final de este golpe, el cigüeñal ha completado una segunda revolución completa de 360 ​​grados.

Comparación de los ciclos reales e ideales de Otto

Motor Otto vs ciclo OttoEn esta sección, se muestra un ciclo ideal de Otto en el que hay muchos supuestos que difieren del ciclo real de Otto . Las principales diferencias entre el motor Otto real e ideal aparecen en la figura. En realidad, el ciclo ideal no ocurre y hay muchas pérdidas asociadas con cada proceso. Para un ciclo real, la forma del diagrama pV es similar al ideal, pero el área (trabajo) encerrada en el diagrama pV siempre es menor que el valor ideal. El ciclo ideal de Otto se basa en los siguientes supuestos:

  • Ciclo cerrado.  La mayor diferencia entre los dos diagramas es la simplificación de las carreras de admisión y escape en el ciclo ideal. En la carrera de escape, el calor Q a cabo se expulsa al medio ambiente, en un motor real, las hojas de gas del motor y se sustituye por una nueva mezcla de aire y combustible.
  • Adición de calor instantáneo (adición de calor isocrórico). En los motores reales, la adición de calor no es instantánea, por lo tanto, la presión máxima no está en TDC, sino justo después de TDC.
  • Sin transferencia de calor (adiabático)
    • Compresión: el gas (mezcla de combustible y aire) se comprime adiabáticamente del estado 1 al estado 2. En los motores reales, siempre hay algunas ineficiencias que reducen la eficiencia térmica.
    • Expansión. El gas (mezcla de combustible y aire) se expande adiabáticamente del estado 3 al estado 4.
  • Combustión completa de la mezcla de combustible y aire.
  • Sin trabajo de bombeo . El trabajo de bombeo es la diferencia entre el trabajo realizado durante la carrera de escape y el trabajo realizado durante la carrera de admisión. En ciclos reales, hay una diferencia de presión entre las presiones de escape y de entrada.
  • Sin pérdida por purga . La pérdida por purga es causada por la apertura temprana de las válvulas de escape. Esto da como resultado una pérdida de producción de trabajo durante la carrera de expansión.
  • Sin pérdidas por golpe . La pérdida por soplado es causada por la fuga de gases comprimidos a través de anillos de pistón y otras grietas.
  • Sin pérdidas por fricción .

Estos supuestos y pérdidas simplificadores conducen al hecho de que el área cerrada (trabajo) del diagrama pV para un motor real es significativamente menor que el tamaño del área (trabajo) encerrada en el diagrama pV del ciclo ideal. En otras palabras, el ciclo ideal del motor sobreestimará el trabajo neto y, si los motores funcionan a la misma velocidad, una mayor potencia producida por el motor real en aproximadamente un 20%.

Relación de compresión – Motor Otto

La relación de compresión , CR , se define como la relación del volumen en el punto muerto inferior y el volumen en el punto muerto superior. Es una característica clave para muchos motores de combustión interna. En la siguiente sección, se mostrará que la relación de compresión determina la eficiencia térmica del ciclo termodinámico usado del motor de combustión. En general, se desea tener una alta relación de compresión, ya que permite que un motor alcance una mayor eficiencia térmica.

Por ejemplo, supongamos un ciclo Otto con una relación de compresión de CR = 10: 1. El volumen de la cámara es de 500 cm³ = 500 × 10 -6 m 3 (0.5l) antes de la carrera de compresión. Para este motor un ll requiere volúmenes son conocidos:

  • 1 = V 4 = V máx = 500 × 10 -6 m 3 (0.5l)
  • 2 = V 3 = V min = V max / CR = 55,56 × 10 -6 m 3

Tenga en cuenta que (V max – V min ) x número de cilindros = desplazamiento total del motor.

Ejemplos de relaciones de compresión: gasolina versus diesel

  • La relación de compresión en un motor de gasolina generalmente no será mucho mayor que 10: 1 debido a un potencial golpe del motor (autoencendido) y no menor a 6: 1 .
  • Un Subaru Impreza WRX turboalimentado tiene una relación de compresión de 8.0: 1 . En general, los motores turboalimentados o sobrealimentados ya tienen aire comprimido en la entrada de aire, por lo tanto, generalmente están construidos con una relación de compresión más baja.
  • Un motor Honda S2000 estándar (F22C1) tiene una relación de compresión de 11.1: 1 .
  • Algunos motores deportivos deportivos pueden tener una relación de compresión de hasta 12.5: 1 (por ejemplo, Ferrari 458 Italia).
  • En 2012, Mazda lanzó nuevos motores de gasolina bajo la marca SkyActiv con una relación de compresión de 14: 1 . Para reducir el riesgo de golpe del motor, el gas residual se reduce mediante el uso de sistemas de escape del motor 4-2-1 , implementando una cavidad de pistón y optimizando la inyección de combustible.
  • Los motores Diesel tienen una relación de compresión que normalmente supera 14: 1 y también son comunes relaciones superiores a 22: 1.

Eficiencia térmica para el ciclo Otto

La eficiencia térmica del ciclo Otto estándar de aire es una función de la relación de compresión y  κ = c p / c v .

eficiencia térmica - Ciclo Otto - Relación de compresión

eficiencia térmica - Otto Cycle - Motor
Eficiencia térmica para el ciclo Otto – κ = 1.4

Es una conclusión muy útil, porque es deseable lograr una alta relación de compresión para extraer más energía mecánica de una masa dada de mezcla aire-combustible. Una relación de compresión más alta permite alcanzar la misma temperatura de combustión con menos combustible, al tiempo que proporciona un ciclo de expansión más largo. Esto crea más potencia mecánica y reduce la temperatura de escape . Disminuir la temperatura de escape provoca la disminución de la energía rechazada a la atmósfera. Esta relación se muestra en la figura para κ = 1.4, que representa el aire ambiente.

 

Autoinflamación: límite para la relación de compresión

En un motor de gasolina común, la relación de compresión tiene sus límites. La relación de compresión en un motor de gasolina generalmente no será mucho mayor que 10: 1 debido a un potencial golpe del motor ( autoencendido ) y no menor a 6: 1 . Sin embargo, las relaciones de compresión más altas harán que los motores de gasolina estén sujetos a golpes de motor, causados ​​por la autoignición de una mezcla no quemada , si se usa combustible de menor octanaje. La mezcla no quemada puede autoignificarse detonando solo por presión y calor, en lugar de encenderse desde la bujía exactamente en el momento correcto. El golpeteo del motor se puede reducir mediante el uso de combustible de alto octanaje, lo que aumenta la resistencia de la gasolina a la autoignición . Cuanto más alto es el número de octano, más compresión puede soportar el combustible antes de detonar (encenderse). Como la temperatura alcanzada por la mezcla de combustible y aire durante la compresión aumenta a medida que aumenta la relación de compresión, la probabilidad de autoignición aumenta con la relación de compresión. La autoignición puede reducir la eficiencia o dañar el motor si no hay sensores de detonación para modificar la sincronización del encendido.

Se pueden lograr relaciones de compresión más altas en motores diesel (también conocidos como motores de encendido por compresión ), porque no comprimen el combustible, sino que comprimen solo aire y luego inyectan combustible en el aire que se calentó por compresión. Las relaciones de compresión en el rango de 12 a 20 son típicas para motores diesel. La mayor expansión en los motores diesel significa que rechazan menos calor en su escape más frío. La relación de compresión más alta (mayor expansión) y la temperatura máxima más alta hacen que los motores diesel alcancen una mayor eficiencia térmica.

Presión efectiva media – MEP

MEP es una medida muy útil de la capacidad de un motor para realizar trabajos que es independiente del desplazamiento del motor.
MEP es una medida muy útil de la capacidad de un motor para realizar trabajos que es independiente del desplazamiento del motor.

Un parámetro utilizado por los ingenieros para describir el rendimiento de los motores de pistón alternativo se conoce como presión efectiva media , o MEP . MEP es una medida muy útil de la capacidad de un motor para realizar trabajos que es independiente del desplazamiento del motor. Hay varios tipos de eurodiputados. Estos MEP se definen por la medición de la ubicación y el método de cálculo (por ejemplo, BMEP o IMEP).

En general, la presión efectiva media es la presión constante teórica que, si actuara sobre el pistón durante la carrera de potencia, produciría el mismo trabajo neto que realmente se desarrolla en un ciclo completo. El MEP se puede definir como:

presión efectiva media - definición

Por ejemplo, la presión efectiva media neta indicada , conocida como IMEP n, es igual a la presión efectiva media calculada a partir de la presión dentro del cilindro (debe haber esta medición) durante todo el ciclo del motor. Tenga en cuenta que es 720 ° para un motor de cuatro tiempos y 360 ° para un motor de dos tiempos.

Algunos ejemplos:

  • El MEP de un motor de gasolina atmosférico puede variar de 8 a 11 bar en la región de par máximo.
  • El MEP de un motor de gasolina turboalimentado puede variar de 12 a 17 bar.
  • El MEP de un motor diesel atmosférico puede variar de 7 a 9 bar.
  • El MEP de un motor diesel turboalimentado puede variar de 14 a 18 bar

Por ejemplo, un motor de gasolina de cuatro tiempos que produce 200 N · m de 2 litros de desplazamiento tiene un MEP de (4π) (200 N · m) / (0.002 m³) = 1256000 Pa = 12 bar. Como se puede ver, el MEP es características útiles de un motor . Para dos motores de igual volumen de desplazamiento, el que tenga un MEP más alto produciría el mayor trabajo neto y, si los motores funcionan a la misma velocidad, mayor potencia .

Ciclo Otto – Problema con la solución

Supongamos el ciclo Otto , que es uno de los ciclos termodinámicos más comunes que se pueden encontrar en los motores de automóviles . Uno de los parámetros clave de tales motores es el cambio en los volúmenes entre el punto muerto superior (TDC) y el punto muerto inferior (BDC). La relación de estos volúmenes ( 1 / V 2 ) se conoce como la relación de compresión .

La relación de compresión en un motor de gasolina generalmente no será mucho mayor que 10: 1 debido a un potencial golpe del motor (autoencendido) y no menor a 6: 1. Por ejemplo, algunos motores de autos deportivos pueden tener una relación de compresión de hasta 12.5: 1 (por ejemplo, Ferrari 458 Italia).

Otto Cycle - Diagrama PV
Diagrama pV del ciclo Otto. El área delimitada por la ruta completa del ciclo representa el trabajo total que se puede hacer durante un ciclo.

En este ejemplo, supongamos un ciclo Otto con una relación de compresión de CR = 9: 1 . El aire de admisión está a 100 kPa = 1 bar, 20 ° C, y el volumen de la cámara es de 500 cm³ antes de la carrera de compresión. La temperatura al final de la expansión adiabática es T 4 = 800 K.

  • Capacidad calorífica específica a presión constante del aire a presión atmosférica y temperatura ambiente: p = 1,01 kJ / kgK.
  • Capacidad calorífica específica a volumen constante de aire a presión atmosférica y temperatura ambiente: v = 0.718 kJ / kgK.
  • κ = c p / c v = 1.4

Calcular:

  1. la masa de aire de admisión
  2. la temperatura T 3
  3. la presión p 3
  4. la cantidad de calor agregado al quemar la mezcla de combustible y aire
  5. la eficiencia térmica de este ciclo
  6. el eurodiputado

Solución:

1)  la masa del aire de admisión

Al comienzo de los cálculos tenemos que determinar la cantidad de gas en el cilindro antes de la carrera de compresión. Usando la ley de los gases ideales, podemos encontrar la masa:

pV = mR específico T

dónde:

  • p es la presión absoluta del gas
  • m es la masa de sustancia
  • T es la temperatura absoluta
  • V es el volumen
  • específica  es la constante de gas específica, igual a la constante de gas universal dividida por la masa molar (M) del gas o mezcla. Para aire seco R específico = 287.1 J.kg -1 .K -1 .

por lo tanto

m = p 1 V 1 / R específico T 1 = (100000 × 500 × 10-6 ) / (287.1 × 293) = 5.95 × 10 -4 kg

En este problema se conocen todos los volúmenes:

  • 1 = V 4 = V máx = 500 × 10 -6 m 3 (0.5l)
  • 2 = V 3 = V min = V max / CR = 55,56 × 10 -6 m 3

Tenga en cuenta que (V max – V min ) x número de cilindros = desplazamiento total del motor.

2)  la temperatura T 3

Dado que el proceso es adiabático, podemos usar la siguiente relación p, V, T para procesos adiabáticos :

fórmula adiabática - ejemplo

así

3 = T 4 . CR κ – 1 = 800. 9 0.4 = 1926 K

3)  la presión p 3

Nuevamente, podemos usar la ley de gas ideal para encontrar la presión al comienzo de la carrera de potencia como:

3 = mR específico T 3 / V 3 = 5.95 × 10 -4 x 287.1 x 1926 / 55.56 × 10 -6 = 5920000 Pa = 59.2 bar

4)  la cantidad de calor agregado

Para calcular la cantidad de calor agregado al quemar la mezcla de combustible y aire, Q add , tenemos que usar la primera ley de la termodinámica para el proceso isocrórico , que establece que Q add = ∆U, por lo tanto:

add = mc v (T 3 – T 2 )

La temperatura al final de la carrera de compresión se puede determinar utilizando la relación p, V, T para procesos adiabáticos entre los puntos 1 → 2.

proceso adiabático - fórmula

2 = T 1 . CR κ – 1 = 293. 9 0.4 = 706 K

luego

add = mc v (T 3 – T 2 ) = 5.95 × 10 -4 x 718 x 1220 = 521.2 J

5)  la eficiencia térmica

Eficiencia térmica para un ciclo Otto:

Como se dedujo en la sección anterior, la eficiencia térmica de un ciclo Otto es una función de la relación de compresión y κ:

Ciclo Otto - eficiencia - ejemplo

6)  la presión efectiva media

El MEP se definió como:

presión efectiva media - definición

En esta ecuación, el volumen de desplazamiento es igual a V max – V min . El trabajo neto para un ciclo se puede calcular utilizando el calor agregado y la eficiencia térmica:

net = add . η Otto = 521.2 x 0.5847 = 304.7 J
MEP = 304.7 / ( 500 × 10-6 – 55.56 × 10 -6 ) = 685.6 kPa = 6.856 bar

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.